Измерение скорости звука и коэффициента затухания в композиционных материалах на основе полимерных связующих с различной степенью армирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерение скорости звука и коэффициента затухания в композиционных материалах на основе полимерных связующих с различной степенью армирования

Драчёв К.А. - доц. кафедры физики

Римлянд В.И. - д-р техн. наук, проф., завкафедрой физики

Сясина Т.В. - доц. кафедры Высшей математики (ТОГУ)

В статье описана методика и результаты измерений скорости звука и коэффициента затухания в композиционных материалах на основе эпоксидных смол ЭД-20 и ХТ-116, армированных стекло- и углетканью. Получены зависимости акустических параметров от количества слоев армирования.

Ключевые слова: измерение, импульс, скорость звука, коэффициент затухания, композиционные материалы, армирование, стеклоткань.

Measurement of Sound Velocity and Damping Coefficient in Composite Materials Based on Polymer Binders with Different Degrees of Reinforcement

Drachev K.A. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Rimlyand V.I. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Syasina T.V. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation

Abstract

The paper presents methodology and results of measurements of sound velocity and damping coefficient in composite materials based on epoxy resins ED-20 and HT-116 reinforced with glass and carbon fabrics. Dependences of acoustic parameters on the number of reinforcement layers have been obtained.

Keywords: measurement, impulse, sound velocity, damping coefficient, composites, reinforcement, fiberglass materials.

Введение

В настоящее время методики ультразвукового контроля нашли широкое применение в неразрушающем контроле различных изделий, включая композиционные материалы (КМ) на основе полимерных связующих [1]. Ультразвуковые (УЗ) методы показали высокую эффективность и как методы для изучения характеристик материалов, в частности полимеров и КМ на их основе [2]. В полимерах распространение УЗ волн определяется их вязкоупругими свойствами, плотностью и наличием включений. Методики на основе измерения акустических параметров позволяют охватить достаточно широкий диапазон частот УЗ колебаний - от десятков килогерц до сотен мегагерц. Они достаточно информативны при изучении динамики процессов во времени таких как полимеризация, стеклование, релаксационные процессы в полимерах и другие. Данным вопросам посвящено в последнее время большое количество экспериментальных работ и обзоров [3 -6].

Исследование распространения УЗ волн в КМ на основе полимерных связующих с волокнистыми наполнителями актуальны в связи с тем, что акустические свойства данных КМ отличаются от свойств металлов и сплавов, и металлических композитов [7]. Прежде всего, это связано с неоднородностью структуры, анизотропией свойств, повышенными коэффициентами затухания. Соответственно для выработки методик УЗ контроля изделий из подобных КМ требуются дополнительные исследования акустических свойств. Существует и чисто научный интерес - подобные исследования позволяют проверить возможность применения «классических» положений акустики к слоистым гетерогенным материалам [3, 8].

Основной целью данной работы было измерение скорости звука (С) и коэффициента затухания (а) в КМ на основе полимерных связующих армированных стекло- и углетканью с различным количеством слоев армирования (n). В качестве полимерной матрицы использовались эпоксидно-диановые смолы: ЭД-20 с отвердителем полиэтиленполиамин (10 %) и ХТ-116 с добавлением аминного отвердителя холодного отверждения (20 %). Использование двух типов связующего, связано с тем, что смола ЭД-20 имеет примерно в десять раз более высокую вязкость (12-25 Па) в сравнении ХТ-116 (1,53,5 Па) в жидком состоянии, что влияет на степень пропитки армирующей ткани.

Образцы и методы измерений

Образцы изготавливались послойно, т.е. поочередно в форму размером 50х50х10 мм заливали эпоксидную смолу, затем прокладывали слой углетка- ни или стеклоткани. Заготовка оставлялась на время отвержения эпоксидной смолы на 24 часа, после чего образец вынимался из формы. Далее следовала шлифовка внешних граней. Были изготовлены образцы с n: 5, 10, 15, 20, 25, 32 и 35 стеклоткани, и 5, 10, 15 и 20 углеткани. При этом 35 слоев стеклоткани и 20 слоев углеткани соответствуют максимальной плотности упаковки армирующих слоев при данной толщине образцов (10 мм).

Для измерения скорости распространения акустических волн в образцах композиционных материалов использовалась измерительная система, блок- схема которой на приведена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема измерительной системы

эпоксидная смола армированный акустический

В качестве возбуждающего сигнала использовался импульс длительностью 1 мкс, амплитудой 10 В и частотой повторения 100 Гц, сформированный встроенным цифровым генератором ГСПФ-052. Регистрация поступающего с выходов широкополосного усилителя сигнала У3 -29 и его запись в память компьютера (ПК) производилась с помощью встроенного цифрового осциллографа Bordo B-222. Для контроля работы системы использовался осциллограф АКИП4115. Для уменьшения влияния шумов проводилось усреднение по ста цифровым реализациям. В эксперименте в качестве излучателя и приемника акустических сигналов использовались пьезоэлектрические прямые совмещенные датчики с рабочей частотой 1,25 МГц и диаметром 18 мм.

Скорость акустических волн определялась на основе измерения времени прохождения ультразвукового импульса от излучателя до приемника

С = L/(t - to) (1)

где L - расстояние между датчиками, t - время прихода волны, to- временная задержка сигнала, определяемая при эталонных измерения и равная 360 нс. Работа измерительной системы и методика измерений акустических параметров более подробно описаны в работе [9].

Распространение акустических волн в образцах исследовалось по двум основным направлениям: вдоль слоев армирования и поперек слоев армирования (пьезопреобразователи устанавливались на противоположных сторонах образцов). Для каждого образца были получены серии усредненных цифровых осциллограмм, акустических сигналов, прошедших сквозь образец (рис. 2). Время прихода ультразвукового t определялось по началу регистрации первой полуволны, амплитуда которой на 5 % отличается от уровня фонового сигнала в усредненной осциллограмме сигнала.

Рис. 2. Осциллограмма акустического сигнала при распространении волн поперек слоев в образце с армированием стеклотканью.

Погрешность измерения скорости в экспериментах была различной в зависимости от расположения пьезодатчиков: при измерениях вдоль слоев (L= 50 мм) АС= ± 10 м/с, при измерениях поперек слоев (L= 10 мм) АС= ± 20 м/с. Различие связано с величиной относительной погрешности измерения расстояния между пьезодатчиками при измерениях вдоль и поперек слоев: AL/L=0,0002, и AL/L =0,001 соответственно. Подробно вопрос о погрешности измерений данным методом рассмотрен в работе [10].

Коэффициент затухания а определялся как относительное уменьшение амплитуды первого пришедшего импульса (1 на рис. 2) U на пьезоприемник и к амплитуде переотраженного (2 на рис. 2) U₂:

где /-удвоенное расстояние между излучателем и приемником. Uj и U2 рассчитывались как среднее значение между первыми положительной и модулем отрицательной составляющих сигнала прямой и переотраженных волн. Относительная погрешность измерения коэффициента затухания составляла для измерений вдоль слоев Аа/а = 0,5М, для измерений поперек слоев А а/а = 0,3. Значительная величина погрешности при измерениях вдоль слоев связана со значительной погрешностью в определении амплитуды U2, вследствие затухания сигнал в образце.

Таблица 1